CN110220474A - 移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法 - Google Patents

移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，以改善测量精度，其特征在于：S01、在隧道内壁上设置1个或多个便于点云识别的靶标；S02、用移动式激光扫描系统沿指定方向正向扫描隧道和所述靶标；S03、将移动式激光扫描系统水平旋转180度；S04、用经步骤S03调整后的移动式激光扫描系统再次沿所述指定方向反向扫描隧道和所述靶标；S05、计算横滚角和俯仰角；S06、根据计算得到的横滚角和俯仰角对采集点云模型进行修正；S07、从经角度修正后的点云模型中重新提取靶标中心的坐标及隧道顶部特征点里程。本发明适用于三维激光扫描领域。

Description

移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法
技术领域
本发明涉及一种移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法。适用于三维激光扫描领域。
背景技术
移动式激光扫描系统由扫描仪和轨道小车组成，扫描仪在垂直于隧道中轴线的竖直平面内旋转，当推行扫描系统前进时，即可得到整个隧道结构的点云模型，但是当扫描仪存在姿态角时，会造成扫描断面不垂直于隧道中轴线，扫描的点云模型非隧道真实结构。因此，研究如何检测和修正移动式激光扫描系统姿态角，避免因姿态角造成点云采集误差对于该技术的应用具有重要意义。
申请号为CN201610334363.8的中国专利申请，公开了一种“移动式三维激光扫描系统及移动式三维激光扫描方法”，该方法中详细的介绍了该系统的组成以及测量方法，但是未涉及到对移动式激光扫描系统姿态角校正的研究内容。申请号为201410826224.8的中国专利申请，公开了一种“三维扫描仪校正系统及其校正方法”，该申请中详细介绍了三维激光扫描仪的校正方法，但是该方法主要应用于架站式三维激光扫描仪，且需要在固定的检校场地进行，不适用于移动式激光扫描系统姿态角的检测与校正。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，以改善测量精度。
本发明所采用的技术方案是：一种移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，其特征在于：
S01、在隧道内壁上设置1个或多个便于点云识别的靶标；
S02、用移动式激光扫描系统沿指定方向正向扫描隧道和所述靶标；
S03、将移动式激光扫描系统水平旋转180度；
S04、用经步骤S03调整后的移动式激光扫描系统再次沿所述指定方向反向扫描隧道和所述靶标；
S05、将步骤S02和步骤S04获得的点云数据分别处理建模，并分别拾取所述靶标中心的坐标Pi(xi，yi)及隧道顶部特征点里程Li、隧道高Di；
S06、计算横滚角和俯仰角；
所述横滚角根据下式(1)计算得到：
其中，P1(x1，y1)为从步骤S02中扫描得到靶标中心的坐标；P2(x2，y2)为步骤S04中扫描得到的相应靶标中心的坐标；
所述俯仰角根据下式(2)计算得到：
其中，L1为步骤S02中隧道顶部特征点里程，D1为该位置的隧道高；L2为步骤S04中相应隧道顶部特征点里程，D2为该位置的隧道高；
S07、根据计算得到的横滚角和俯仰角对采集点云模型进行修正。
S08、从经角度修正后的点云模型中重新提取靶标中心的坐标及隧道顶部特征点里程；
若y1与y2的差值及L1与L2的差值均小于2mm，则判断姿态角得到准确修正；
反之，重复步骤S05-S07再次对移动式激光扫描系统进行角度修正。
所述靶标设置于隧道底部和管片腰部。
本发明的有益效果是：本发明摆脱实验室特定检校场，实景仿真模拟真实运行状态，基于两期点云模型进行事后姿态角校正，有效改善点云采集精度，具有灵活、高效、准确的显著特征。
附图说明
图1为移动式激光扫描系统姿态角示意图。
图2为实施例中实地检校场地示意图。
图3为实施例中移动式激光扫描系统正向扫描靶标和隧道的示意图。
图4为实施例中移动式激光扫描系统反向扫描靶标和隧道的示意图。
图5为实施例中移动式激光扫描系统事后姿态角校正流程图。
图6为实施例中移动式激光扫描系统滚动角计算示意图。
图7为实施例中移动式激光扫描系统俯仰角计算示意图。
具体实施方式
如图1～图4所示，本实施例为一种移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，在盾构隧道3内选取一段没有超高的平直盾构隧道建立实地检校场，在该段隧道内设有移动式激光扫描系统。移动式激光扫描系统包括扫描仪1、轨道小车2和轨道4等组成，扫描仪1安装固定于轨道小车2上并结合成一个整体，轨道小车2可在轨道4来回移动，其中轨道4沿隧道中轴线设置于被选取的隧道段的底部，轨道上标定起始位置QD和结束位置ZD，QD至ZD的方向为本例的指定方向，平直轨道是为了减少外部环境对姿态角影响。
如图5所示，本实施例的校正方法包括以下步骤：
S01、在被选取的隧道段的内设置多个便于点云识别的靶标5，靶标5的布设原则是：稳定可靠，移动式激光扫描系统扫描线能垂直入射靶标平面。本例中在隧道底部布设一个靶标5，管片腰部布设至少四个靶标5。本实施例中靶标表面采用粗糙材质制作，减少因镜面反射对点云数据产生影响。
S02、扫描仪1及轨道小车2在轨道4上沿指定方向正向扫描所选取的隧道段和设置于该隧道段内的靶标5。
将扫描仪1及轨道小车2放置QD处，启动设备，匀速推行扫描仪1及轨道小车2在轨道4上前进对检校场内的靶标数据进行采集，到ZD处停止。
S03、将扫描仪1及轨道小车2水平旋转180度后放置于轨道4上；
S04、用经步骤S03调整后的移动式激光扫描系统再次沿所述指定方向反向扫描隧道和所述靶标；
将扫描仪1及轨道小车2水平旋转180度调向后放置于ZD处的轨道4上，启动设备，匀速推行扫描系统对检校场内的靶标数据进行采集，到QD处停止。通过移动式激光扫描系统水平方向旋转180度将因俯仰角和横滚角产生的误差通过相应数值定量显示出来。
S05、将步骤S02和步骤S04获得的点云数据分别处理建模，并分别拾取所述靶标中心的坐标Pi(xi，yi)及隧道顶部特征点里程Li、隧道高Di。
对步骤S02和步骤S04采集的点云数据进行建模处理，根据移动式激光扫描系统发射和接受激光信号的相位差以及反射强度，可得到三维点云模型及高清影像图。其中坐标系建立为笛卡尔直角坐标系，x轴垂直于隧道中轴线指向隧道壁，y轴垂直于x轴指向隧道顶部。
S06、根据误差产生机理构建角度计算模型，分别计算横滚角、俯仰角；
参考图6，横滚角计算模型：
理论上，若不存在横滚角，则激光扫描系统步骤S02和步骤S03采集的同一靶标中心的y值应该保持不变，当存在横滚角时，y值就会因为横滚角的存在而不同，若差值大于2mm，则需要进行横滚角校正。
拾取步骤S02的扫描点云中管片腰部某一靶标中心的坐标P1(x1，y1)；
拾取步骤S04的扫描点云中管片腰部该某一靶标中心的坐标P2(x2，y2)；
判断y1与y2的差值，若差值大于2mm，则按下式进行横滚角计算
若横滚角α大于0，则表示移动式激光扫描系统存在沿指定方向向右倾斜的角度，若横滚角α小于0，则表示移动式激光扫描系统存在沿推行方向向左倾斜的角度。
参考图7，俯仰角计算模型：
理论上，若不存在俯仰角，则激光扫描系统步骤S02和步骤S03采集的隧道顶部同一位置里程L应该保持不变，当存在俯仰角时，L值就会因为俯仰角的存在而不同。若差值大于2mm，则需要进行俯仰角校正。
拾取步骤S02的扫描点云中隧道顶部特征点里程L1以及该位置处的隧道高D1；
拾取步骤S04的扫描点云中隧道顶部特征点里程L2以及该位置处的隧道高D2；
判断L1与L2的差值，若差值大于2mm，则按下式进行横滚角计算
若计算得到的俯仰角β大于0，则表示移动式激光扫描系统存在沿指定方向向前倾斜的角度，若计算得到的俯仰角β小于0，则表示移动式激光扫系统存在沿推行方向向后倾斜的角度。
S07、根据所述计算模型得到的横滚角、俯仰角对采集点云模型进行修正，将步骤S02和步骤S04采集的点云数据进行角度修正，重新处理建模。
S08、重复步骤S05-S06再次计算移动式激光扫描系统姿态角，验证数据是否得到改善。
根据角度修正后的点云数据重新提取靶标中心坐标及隧道顶部特征点里程，若y1与y2的差值及L1与L2的差值均小于2mm，则姿态角得到准确修正。
为验证移动式激光扫描系统姿态角校正方法的正确性，在隧道内临时搭建实地检校场，在隧道两腰放置4个靶标，隧道底部放置1个靶标，按照步骤S02-S05拾取正向和反向扫描成果中靶标中心的坐标和隧道顶部特征点里程及隧道高，按照步骤S06计算移动式激光扫描系统姿态角，具体信息见表1和表2，其中校正前移动式激光扫描系统滚动角为-0.00118rad，俯仰角为0.0009rad；根据表1和表2得到的姿态角信息执行步骤S06-S07，得到校正后的成果见表3和表4，其中校正后移动式激光扫描系统滚动角为0.00011rad，俯仰角为-0.0001rad。通过校正前后的姿态角信息可以看出经过本发明的方法校正后，移动式激光扫描系统的姿态角得到正确修正，验证了本发明方法的准确性。
表1滚动角检测
表2俯仰角检测
表3滚动角校准
表4俯仰角校准

Claims (3)

1.一种移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，其特征在于：
S01、在隧道内壁上设置1个或多个便于点云识别的靶标；
S02、用移动式激光扫描系统沿指定方向正向扫描隧道和所述靶标；
S03、将移动式激光扫描系统水平旋转180度；
S04、用经步骤S03调整后的移动式激光扫描系统再次沿所述指定方向反向扫描隧道和所述靶标；
S05、将步骤S02和步骤S04获得的点云数据分别处理建模，并分别拾取所述靶标中心的坐标Pi(xi，yi)及隧道顶部特征点里程Li、隧道高Di；
S06、计算横滚角和俯仰角；
所述横滚角根据下式(1)计算得到：
其中，P1(x1，y1)为从步骤S02中扫描得到靶标中心的坐标；P2(x2，y2)为步骤S04中扫描得到的相应靶标中心的坐标；
所述俯仰角根据下式(2)计算得到：
其中，L1为步骤S02中隧道顶部特征点里程，D1为该位置的隧道高；L2为步骤S04中相应隧道顶部特征点里程，D2为该位置的隧道高；
S07、根据计算得到的横滚角和俯仰角对采集点云模型进行修正。
2.根据权利要求1所述的移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，其特征在于：
S08、从经角度修正后的点云模型中重新提取靶标中心的坐标及隧道顶部特征点里程；
若y1与y2的差值及L1与L2的差值均小于2mm，则判断姿态角得到准确修正；
反之，重复步骤S05-S07再次对移动式激光扫描系统进行角度修正。
3.根据权利要求1所述的移动式激光扫描系统事后姿态角校正方法，其特征在于：所述靶标设置于隧道底部和管片腰部。
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